地球平均三天就發生一次規模超過六的地震，而這樣中至大規模的地震會於斷層中產生長距離的滑移(數十公分到數公尺)，並且產生地震滑動帶及相關的岩石特徵。有別於一般研究地震儀的震動圖(獲得規模、深度與震源機制等資訊)，分析地震滑動帶的岩石特徵(例如假玄武玻璃；Di Toro et al., 2006) ，可以獲得一些地震物理的資訊(例如摩擦熱、破裂能，以及弱化機制等等；Niemeijer et al., 2012)。地震是台灣最好發的自然現象，我們應該可以在台灣的活動斷層帶內，發現許多過去的地震滑動帶及相關的岩石特徵。可惜的是，斷層帶的岩石多半是斷層泥，膠結差，質地鬆軟，加上流體(地下水)循環以及地表風化，跟地震滑動帶的相關岩石特徵也常被毀滅殆盡，同時也侷限了我們對地震斷層的辨識與認知。而實驗室模擬地震滑移，似乎是另一種選擇。
 
因此，本研究室在國科會這幾年的支持下，提出「揭示地震循環週期中斷層核芯與破裂帶的變形對比」，「斷層核芯與破裂帶的變形對比」，以及「人工快速地震滑移於未膠結岩石」這三個計畫，就是針對這個研究議題，進行儀器設計發展與改善實驗技術，以斷層泥作為材料，在實驗室內產生地震滑移，獲得斷層的摩擦行為以及其斷層泥特徵。
 
已執行完畢的計畫「揭示地震循環週期中斷層核芯與破裂帶的變形對比」中，我們成功設計一個壓力閥，可以將含水斷層泥的實驗條件(正向應力)提升將近一個量級，進行地震滑移(圖1、紅色區域為本次實驗的實驗條件)。這個設計的實驗結果說明，在高正向應力及不排水的條件(模擬不成熟的斷層帶)，地震發生時斷層泥會產生液化作用，同時擁有很低的摩擦力(Kuo et al., 2021)。
 

圖1、目前已發表的岩石摩擦試驗條件與結果(以黑色表示)，以及本研究計畫的試驗條件與結果(以紅色表示)。
 
另外，已執行完畢的計畫「斷層核芯與破裂帶的變形對比」中，我們試圖瞭解流體的存在於地震滑移時所扮演的角色。因此，我們改良壓力閥，讓實驗過程中可以允許流體進出。與上個計劃不同的發現是，這個設計的實驗結果說明，在高正向應力及排水的條件(模擬有成熟破裂帶的斷層)，地震發生時斷層泥會發生熔融，同時滑動帶的摩擦力也同時在增加(圖2、Nguyen et al., 2024)。重要的是，實驗結果也說明，大地震過後，斷層泥的熔融現象不易在地表產生，而是容易在地下深處發生(圖三)。由於活動斷層鑽井計畫(例如車籠埔深鑽以及汶川深鑽)觀察到熔融的斷層泥，但是地表露頭卻無類似結果，這個計畫實驗結果提供了另一個合理的解釋。
 

圖2、高正向力排水條件下，滑動帶的摩擦力在斷層泥產生熔融時開始增加。

圖3、不同深度下使斷層泥熔融所需的滑移距離/摩擦功/機械功。在三百公尺底下的滑動帶，五米滑移可以使斷層泥熔融，但是地表則需要數十公尺滑移。
目前，於正在執行的計畫「人工快速地震滑移於未膠結岩石」中，我們想要模擬真實的地下地質條件，因此想在實驗過程中控制液體壓力，瞭解有液壓下流體在地震滑移時所扮演的角色。因此，我們再次改良壓力閥，讓實驗過程中可以控制液體壓力，並且有不同流體滲透的特徵。這個實驗改良於今年初(2024)測試成功(圖四)，預期接下來成為探討地震物理、滑動帶行為與岩石特徵的研究利器。
 

圖4、本研究團隊博士後(郭思廷，右上)、博士班學生(Thi Trinh Nguyen，左)，本人(右下)在控制液壓實驗成功時拍攝之紀念照。
 
參考文獻：

• Di Toro, G., Hirose, T., Nielsen, S., Pennacchioni, G., Shimamoto, T., 2006. Natural and experimental evidence of melt lubrication of faults during earthquakes. Science 331, 647–649. https://doi.org/10.1126/science.112101
• Kuo, L.-W., W. J.-Wu, C.-W. Kuo, S. A. F. Smith, W.-T. Lin, W.-H. Wu and Y.-H. Huang, 2021. Frictional strength and fluidization of water-saturated kaolinite gouges at seismic slip velocities. Journal of Structural Geology, 150, p. 1-17, doi: 10.1016/j.jsg.2021.104419
• Nguyen, T. T., L.-W. Kuo, Q.-E. Kong, C.-W. Kuo, J.-J. Dong, D. Brown, H. Wang, S.-T. Kuo, H. Li and J. Si, 2024. Fluid Drainage Leads to Thermal Decomposition of Wet Gouge During Experimental Seismic Slip. Geophysical Research Letters, 51(18), doi: 10.1029/2023GL106879
• Niemeijer, A., Di Toro, G., Griffith, W.A., Bistacchi, A., Smith, S.A.F., Nielsen, S., 2012. Inferring earthquake physics and chemistry using an integrated field and laboratory approach. J. Struct. Geol. 39, 2–36.